EP0410217A1 - Quasi-optisches Gyrotron - Google Patents

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Publication number
EP0410217A1
EP0410217A1 EP90113325A EP90113325A EP0410217A1 EP 0410217 A1 EP0410217 A1 EP 0410217A1 EP 90113325 A EP90113325 A EP 90113325A EP 90113325 A EP90113325 A EP 90113325A EP 0410217 A1 EP0410217 A1 EP 0410217A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonator
axis
quasi
hologram
electron beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP90113325A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Dr. Jödicke
Hans-Günter Dr. Mathews
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Publication of EP0410217A1 publication Critical patent/EP0410217A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08059—Constructional details of the reflector, e.g. shape
    • H01S3/08068—Holes; Stepped surface; Special cross-section
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H01J25/025—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators with an electron stream following a helical path

Definitions

  • the invention relates to a quasi-optical gyrotron, comprising first means for generating an electron beam running in the direction of an electron beam axis, second means for generating a static magnetic field aligned parallel to the electron beam axis, by means of which the electrons of the electron beam are forced to gyrate, a quasi-optical resonator , which has two mirrors arranged opposite one another on a resonator axis oriented perpendicular to the electron beam axis, in which resonator an electromagnetic alternating field is excited by the gyration of the electrons, and third means for coupling out electromagnetic radiation from the resonator.
  • a quasi-optical gyrotron of the type mentioned operates at frequencies of typically 150 GHz and more and can generate radiation lines of a few 100 kW in continuous wave mode.
  • continuous wave powers of 1 MW and more are required. Difficulties of all kinds arise when realizing such high powers.
  • One problem is particularly the efficient decoupling of the millimeter waves from the resonator.
  • a coupling-out mirror is known from US Pat. No. 3,609,585, which has periodic, narrow trenches which are separated by wide, flat sections. The trenches that are responsible for the decoupling are sawtooth-shaped.
  • the object of the invention is therefore to create a gyrotron of the type mentioned in the introduction, in which the desired electromagnetic radiation is coupled out with high efficiency from the quasi-optical resonator.
  • the third means comprise at least one hologram, which is at least one hologram on a mirror surface of one of the two mirrors of the resonator and is designed such that the Radiation to be decoupled is scattered in the direction of at least exactly one decoupling axis, the at least exactly one decoupling axis including a predetermined angle ⁇ other than zero with the resonator axis.
  • the hologram unlike a conventional line grating, always has several diffraction directions in which the incoming wave, i.e. the Gaussian mode of the resonator is scattered, but only a predetermined number of well-defined scattering directions.
  • the radiation to be decoupled is therefore only directed in the desired direction.
  • the hologram can be used to generate the desired Gauss waves, which can then be guided to a consumer without any significant losses.
  • the resonator axis and the coupling-out axis are preferably in a common plane perpendicular to the electron beam axis.
  • the angle between the resonator and the coupling-out axis is advantageously just large enough that the outcoupled radiation can pass essentially undisturbed on the side next to an opposite mirror of the resonator.
  • the radiation exposure is distributed over several RF windows.
  • the total power of the gyrotron can thus be multiplied with limited RF window load capacity.
  • a mirror surface is provided with a hologram, which for example serves exactly two coupling axes.
  • each of the two mirrors has a hologram which, for example, serves exactly one decoupling axis.
  • the hologram cannot be comprehensively described with specific physical characteristics. Rather, it is determined by its specific property to scatter a given incoming wave at one or more defined angles.
  • the hologram is essentially a laterally and depth-modulated, electrically conductive mirror surface with a structure size in the order of magnitude of a wavelength of the electromagnetic radiation.
  • a corresponding quasi-optical gyrotron comprises first means 6 for generating e.g. annular electron beam 1, which runs along an electron beam axis 2.
  • the mentioned first means 6 comprise e.g. a well-known magnetron injection cannon.
  • Two coils 3a, 3b in a Helmholtz arrangement i.e. they are essentially at a mutual distance corresponding to their radius) generate a static magnetic field parallel to the electron beam axis 2, so that the electrons of the electron beam 1 are forced to gyrate.
  • a quasi-optical resonator formed by two mirrors 4a, 4b arranged opposite one another on a resonator axis 5, is arranged between the two coils 3a, 3b in such a way that its resonator axis 5 is oriented perpendicular to the electron beam axis 2.
  • the gyration of the electrons excites a high-frequency alternating electromagnetic field in the resonator, so that the desired electromagnetic radiation can be decoupled from the resonator by suitable means and delivered to a consumer through an HF window and possibly a waveguide.
  • the HF window closes an evacuated vessel 9, in which the described parts are housed, transparently from the outside space (e.g. a waveguide).
  • the two coils 3a, 3b which exert strong forces on one another, are formed using a support structure 7 supported against each other.
  • This has holes suitable for the resonator. Open spaces.
  • the support structure 7 can be, for example, a steel girder provided with bores or a support frame made of suitably arranged titanium bars.
  • FIG. 2 shows the resonator according to the invention in cross section.
  • the electron axis 2 is perpendicular to the plane of the drawing.
  • the coil 3b can be seen in the support structure 7. Otherwise, the parts already described with reference to FIG. 1 are provided with the same reference numerals.
  • the mirrors 4a, 4b both have a cross section filling the resonator and are e.g. circular. They each have a metallic or superconducting and preferably spherically curved mirror surface 8a, 8b. According to a particularly preferred embodiment, one of the two mirror surfaces 8b has a hologram which couples out part of the alternating field vibrating in the resonator at a predetermined angle ⁇ .
  • the hologram on the mirror 4b couples the desired radiation out of the resonator exclusively at a predetermined angle impart along an outcoupling axis 10.
  • ⁇ the angle is referred to that of the resonator and coupling axis 5, respectively. 10 is included. It is clearly different from zero in such a way that the outcoupled radiation is next to the opposite one Mirror 4a can happen.
  • An RF window 11 lies on the coupling axis 10 and seals the vessel 9 in a vacuum-tight manner with respect to a waveguide (not shown in the figure) which is connected coaxially to the coupling axis 10.
  • the angle ⁇ is preferably as small as possible. In this case, the outcoupled radiation can just pass relatively undisturbed on one side next to the mirror 4a.
  • the angle ⁇ is then of the order of magnitude of the opening angle at which the mirror 4a is seen from the diffractive mirror 4b (i.e. depending on the ratio of the mirror diameter to the mirror spacing). It is typically on the order of 20 ° - 30 °.
  • the mirror surface 8b is essentially perpendicular to the resonator axis 5.
  • the hologram 12 is embodied by a structure of the mirror surface 8b.
  • the nature of the structure depends in the specific case on the incoming and the reflected waves, in particular on their wavelength, on the shape of their wave fronts, on the intensity distribution (ratio of the energy extracted from the resonator to the energy stored therein) and their directions of propagation (e.g. Angle ⁇ ).
  • the structure cannot generally be determined by simple, geometric parameters such as Describe thickness d or period L.
  • the parameters of the hologram also have an influence on the properties of the resonator.
  • the quality of the resonator can namely be set via the proportion of the output power. In this way, the gyrotron is optimized for the intended performance range.
  • the thickness d (depth of the structure) and the period L are typically on the order of a wavelength of the desired radiation and that no sharp edges occur.
  • geometric dimensions of the order of a few tenths to a few millimeters can occur.
  • the hologram for decoupling the desired Gaussian waves is indicated by several, similar, curved lines running side by side, which illustrate structural elevations.
  • the surveys are typically in small areas, but not periodically across the entire hologram.
  • a computer is advantageously used to produce a hologram according to the invention. This is used to calculate the concrete structure of the mirror surface when the parameters of the hologram explained above are specified. The calculated structure is then transferred to the mirror surface with the aid of machine tools. This manufacturing process makes use of the fact that the dimension of the holographic structure is of the order of about 1/10 mm.
  • the Gaussian mode of the resonator is brought into interference with the Gauss wave to be coupled out, and the resulting interference pattern is photographically captured.
  • the coupling is only in one direction. However, this corresponds to only one preferred embodiment. It is in fact also within the scope of the invention if the hologram scatters waves in exactly two, or generally in exactly n, predetermined coupling directions. Multiple decoupling can be advantageous, for example, when it comes to multiplying the output power limited by the permissible load capacity of the RF window to a high total power of the gyrotron. It is still important for high efficiency that only radiation is scattered in the direction of, for example, two specified coupling axes.
  • the two coupling axes are preferably placed symmetrically to the resonator axis.
  • the total power can also be multiplied in another way, namely by providing both mirrors 4a, 4b of the resonator with a suitable hologram each.
  • a suitable hologram for example, two holograms, each with exactly one coupling direction, can be used to extract two Gauss waves.
  • the invention is not limited to Gaussian waveforms. In a completely analogous manner, other, even arbitrary, waveforms can be coupled out for other purposes.
  • millimeter and submillimeter waves of high continuous wave power can be generated by the type of decoupling according to the invention.
  • the waves generated in this way can be transported with conventional waveguides to distant consumers without significant losses.

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Abstract

Bei einem quasi-optischen Gyrotron, welches einen quasi-optischen Resonator mit zwei auf einer Resonatorachse (5) einander gegenüberliegende Spiegel (4a,4b) aufweist, wird die gewünschte elektromagnetische Strahlung mit einem Hologramm ausgekoppelt. Dabei weist mindestens einer der beiden Spiegel (4b) des Resonators eine mit einem Hologramm versehene Spiegelfläche (8b) auf. Das Hologramm ist so ausgebildet, dass die auszukoppelnde Strahlung in Richtung mindestens genau einer Auskopplungsachse (10) gestreut wird, wobei die mindestens genau eine Auskopplungsachse (10) mit der Resonatorachse (5) einen vorgegebenen Winkel Á verschiede von null einschliesst. Vorzugsweise ist der Winkel Á so klein wie möglich.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein quasi-optisches Gyrotron, umfassend erste Mittel zum Erzeugen eines in Richtung einer Elektronenstrahlachse laufenden Elektronenstrahls, zweite Mittel zum Erzeugen eines parallel zur Elektronenstrahlachse ausgerichteten statischen Magnetfeldes, durch welches die Elektronen des Elektronenstrahls zur Gyration gezwungen werden, einen quasi-optischen Resonator, welcher zwei auf einer senkrecht zur Elektronenstrahlachse ausgerichteten Resonatorachse einander gegenüberliegend angeordnete Spiegel aufweist, in welchem Resonator durch die Gyration der Elektronen ein elektromagnetisches Wechselfeld angeregt wird, und dritte Mittel zum Auskopplen elektromagnetischer Strahlung aus dem Resonator.
    • Stand der Technik
  • Ein quasi-optisches Gyrotron der eingags genannten Art ist z.B. aus dem Patent CH-664045 oder aus dem Artikel "Das Gyrotron, Schlüsselkomponente für Hochleistungs-­Mikrowellensender", H.G. Mathews, Minh Quang Tran, Brown Boveri Review 6-1987, pp. 303-307, bekannt. Dieses Gyrotron hat gegenüber einem konventionellen, zylinrischen Gyrotron den Vorteil, dass es ein Mehrfaches an Leistung erzeugen kann. Der Grund dafür liegt unter anderem in folgenden Tatsachen:
    • 1. Da der Resonator nicht koaxial sondern senkrecht zur Elektronenstrahlachse liegt, kan er unabhängig vom "Elektronenstrahlteil" dimensioniert werden. Insbesondere kann die Strahlungsbelastung von Resonatorspiegel und HF-­Fenster durch Vergrössern des Durchmessers herabgesetzt werden.
    • 2. Die im Resonator vorhandene Energie kann über zwei Ausgänge, nämlich bei jedem der beiden Resonatorspiegel, ausgekoppelt werden.
  • Ein quasi-optisches Gyrotron der genannten Art arbeitet bei Frequenzen von typischerweise 150 GHz und mehr und vermag im Dauerstrichbetrieb Strahlungsleitungen von wenigen 100 kW zu erzeugen. Im Hinblick auf den Einsatz solcher Gyrotrons zur Plasmaheizung in Fusionsreaktoren sind aber Dauerstrichleistungen von 1 MW und mehr erforderlich. Bei der Realisierung solch hoher Leistungen ergeben sich Schwierigkeiten verschiedenster Art. Ein Problem stellt insbesondere die effiziente Auskopplung der Millimeterwellen aus dem Resonator dar.
  • Aus dem Patent CH-668,865 beispielsweise sind für die Auskopplung aus einem offenen Resonator der eingangs erwähnten Art folgende zwei Vorschläge bekannt: Auskopplung durch ringförmige Schlitze im Resonatorspiegel und Auskopplung am Rand eines Spiegels mit reduziertem Durchmesser. Keiner der beiden Lösungsversuche vermag jedoch zu befriedigen. Wegen den hohen elektrischen Feldstärken, die bei hohen Strahlungs­leistungen auftreten, kann es einerseits bei den Kanten der Schlitze zu gefährlichen Durchschlägen kommen. Andererseits werden auf diese Weise keine Gauss'schen Moden ausgekoppelt. Es ist nun aber so, dass gerade nur die Gauss'schen Moden verlustfrei über eine längere Strecke zu einem Verbraucher transportiert werden können.
  • Im Zusammenhang mit dem Bau von Lasern hoher Leistung ist vorgeschlagen worden, die Auskopplung der Strahlung aus dem optischen Resonator so zu erreichen, dass einer der zwei reflektierenden Resonatorspiegel mit einer periodischen Struktur versehen ist, sodass etwa 20% der Resonatorenergie unter einem gegebenen Winkel seitlich ausgekoppelt wird. Insbesondere ist aus dem Patent US-3,609,585 ein auskoppelnder Spiegel bekannt, welcher periodische, schmale Gräben aufweist, die durch breite, flache Abschnitte getrennt sind. Die Gräben, welche für die Auskopplung verantwortlich sind, sind dabei sägezahnförmig ausgebildet.
  • Diese aus dem Gebiet der Laserkonstruktion bekannte Lösung, eignet sich jedoch nicht für ein quasi-optisches Gyrotron. Neben den spitzen Kanten sind vorallem auch die wellenoptischen Effekte nachteilig, die bei Millimeterwellen natürlich schon bei relativ grossen Dimensionen (mm-Bereich) zum tragen kommen und zu unerwünschten Beugungsmaxiama resp. -nebenmaxiama führen.
    • Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gyrotron der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem aus dem quasi-optischen Resonator die gewünschte elektromagnetische Strahlung mit hoher Effizienz ausgekoppelt wird. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung ein Gyrotron der genannten Art so auszubilden, dass die gewünschte Strahlung in der Form eines Gauss'schen Modes ausgekoppelt wird.
  • Erfindungsgemäss besteht die Lösung darin, dass die dritten Mittel mindestens ein Hologramm umfassen, welches mindestens eine Hologramm auf einer Spiegelfläche eines der beiden Spiegel des Resonators ist und so beschaffen ist, dass die auszukoppelnde Strahlung in Richtung mindestens genau einer Auskopplungsachse gestreut wird, wobei die mindestens genau eine Auskopplungsachse mit der Resonatorachse einen vorgegebenen Winkel Á verschieden von null einschliesst.
  • Der Kern der Erfindung liegt darin, dass das Hologramm nicht wie ein herkömmliches Strichgitter stets mehrere Beugungsrichtungen aufweist, in welche die eintreffende Welle, d.h. der Gauss'sche Mode des Resonators, gestreut wird, sondern nur eine im voraus bestimmbare Anzahl von wohldefinierten Streurichtungen. Somit wird die auszukoppelnde Strahlung stets nur in die gewünschte Richtung gelenkt. Ausserdem lassen sich mit dem Hologramm die gewünschten Gauss Wellen erzeugen, die dann ohne nennenswerte Verluste zu einem Verbraucher geführt werden können.
  • Bei einem quasi-optischen Gyrotron, bei welchem das statische Magnetfeld durch zwei Spulen in Helmholtz-Anordnung erzeugt wird, liegen Resonatorachse und Auskopplungsachse vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Elektronenstrahlachse. Der Winkel zwischen Resonator- und Auskopplungsachse ist mit Vorteil gerade so gross, dass die ausgekoppelte Strahlung im wesentlichen ungestört seitlich neben em gegenüberliegenden Spiegel des Resonators passieren kann.
  • Unter Umständen ist es von Vorteil, mehrere Auskopplungsachsen vorzusehen. Bei dieser Ausführungsform wird die Strahlungs­belastung auf mehrere HF-Fenster verteilt. Die Gesamtleistung des Gyrotrons kann damit bei beschränkter Belastbarkeit der HF-­Fenster vervielfacht werden.
  • Die beschriebene Vervielfachung kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Entweder wird eine Spiegelfläche mit einem Hologramm versehen, welches z.B. genau zwei Auskopplungsachsen bedient. Oder jeder der beiden Spiegel weist ein Hologramm auf, welches z.B. je genau eine Auskopplungsachse bedient.
  • Das Hologramm lässt sich im allgemeinen nicht mit konkreten körperlichen Merkmalen umfassend beschreiben. Vielmehr ist es bestimmt durch seine spezifische Eigenschaft, eine gegebene eintreffende Welle unter einem oder mehreren definierten Winkeln zu streuen.
  • Im wesentlichen ist das Hologramm eine lateral und tiefenmodulierte, elektrisch leitende Spiegelfläche mit einer Strukturgrösse in der Grössenordnung einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung.
  • Eine grosse Zahl von weiteren Ausführungsformen ergibt sich schliesslich aus den Patentansprüchen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung nähe erläutert werden. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines quasi-optischen Gyrotrons im Längsschnitt;
    • Fig. 2 eine schematische Darstellung des quasi-optischen Gyrotrons im Querschnitt;
    • Fig. 3 ein vereinfachter Querschnitt einer Spiegelfläche mit einem Hologramm; und
    • Fig. 4 eine schematische Frontansicht eines Spiegels mit einem Hologramm.
  • Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenfassend tabelliert. Grundsätzlich sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
    • Wege zur Ausführung de Erfindung
  • Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Ein entsprechendes quasi-optisches Gyrotron umfasst erste Mittel 6 zum Erzeugen eines z.B. ringförmigen Elektronenstrahls 1, welcher entlang einer Elektronenstrahlachse 2 läuft. Die genannten ersten Mittel 6 umfassen z.B. eine wohlbekannte Magnetron-Injektions-Kanone. Zwei Spulen 3a, 3b in Helmholtz-­Anordnung (d.h. sie haben im wesentlichen einen ihrem Radius entsprechenden gegenseitigen Abstand) erzeugen ein statisches Magnetfeld parallel zur Elektronenstrahlachse 2, sodass die Elektronen des Elektronenstrahls 1 zur Gyration gezwungen werden.
  • Ein quasi-optischer Resonator, gebildet durch zwei einander auf einer Resonatorachse 5 gegenüberliegend angeordnete Spiegel 4a, 4b, ist zwischen den beiden Spulen 3a, 3b so angeordnet, dass seine Resonatorachse 5 senkrecht zur Elektronenstrahlachse 2 ausgerichtet ist.
  • Durch die Gyration der Elektronen wird im Resonator ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld angeregt, sodass die gewünschte elektromagnetische Strahlung mit geeigneten Mitteln aus dem Resonator ausgekoppelt und durch ein HF-Fenster und allenfalls einen Wellenleiter an einen Verbraucher abgegeben werden kann. Das HF-Fenster schliesst ein evakuiertes Gefäss 9, in welchem die beschriebenen Teile untergebracht sind, transparent gegenüber dem Aussenraum (z.B. einem Wellenleiter) ab.
  • Die beiden Spulen 3a, 3b, die starke Kräfte aufeinander ausüben, werden mit Hilfe einer Stützkonstruktion 7 gegeneinander abgestützt. Diese weist für den Resonator geeignete Bohrungen resp. Freiräume auf. Die Stützkonstruktion 7 kann z.B. ein mit Bohrungen versehener Stahlträger oder ein Stützgerüst aus geeignet angeordneten Titanstäben sein.
  • Die bis anhin beschriebenen Teile des Gyrotrons sind hinlänglich bekannt (z.B. aus dem eingangs zitierten Stand der Technik). Auf eine ausführliche Erläuterung derselben kann deshalb hier verzichtet werden.
  • Neu ist hingegen die Art und Weise der Auskopplung. Auf diese wird im folgenden eingegangen.
  • Fig. 2 zeigt den erfindungsgemässen Resonator im Querschnitt. Bei dieser Darstellung steht die Elektronenachse 2 senkrecht zur Zeichenebene. Hinter resp. in der Stützkonstruktion 7 ist die Spule 3b zu erkennen. Im übrigen sind die bereits anhand der Fig. 1 beschriebenen Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Spiegel 4a, 4b haben beide einen den Resonator ausfüllenden Querschnitt und sind z.B. kreisförmig. Sie haben je eine metallische oder supraleitende und vorzugsweise sphärisch gekrümmte Spiegelfläche 8a, 8b. Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist eine der beiden Spiegelflächen 8b ein Hologramm auf, welches einen Teil des im Resonator schwingenden Wechselfeldes unter einem vorgegebenen Winkel Á auskoppelt.
  • Das Hologramm auf dem Spiegel 4b koppelt die gewünschte Strahlung aus dem Resonator ausschliesslich unter dem vorbestimmten Winkel Á entlang einer Auskopplungsachse 10 aus. Mit Á wird dabei der Winkel bezeichnet, der von Resonator- und Auskopplungsachse 5 resp. 10 eingeschlossen wird. Er ist eindeutig verschieden von null und zwar so, dass die ausgekoppelte Strahlung seitlich neben dem gegenüberliegenden Spiegel 4a passieren kann. Ein HF-Fenster 11 liegt auf der Auskopplungsachse 10 und schliesst das Gefäss 9 vakuumdicht gegenüber einem koaxial zur Auskopplungsachse 10 angeschlossenen Wellenleiter (in der Figur nicht gezeigt) ab.
  • Vorzugsweise ist der Winkel Á so klein wie möglich. In diesem Fall kann die ausgekoppelte Strahlung gerade noch relativ ungestört einseitig neben dem Spiegel 4a vorbeilaufen. Der Winkel Á ist dann in der Grössenordnung des Oeffnungswinkels, unter dem der Spiegel 4a vom beugenden Spiegel 4b aus gesehen wird (d.h. abhängig vom Verhältnis von Spiegeldurchmesser zu Spiegelabstand). Typischerweise liegt er in der Grössenordnung von 20° - 30°.
  • Ein Vorteil eines derart minimalen Winkels besteht darin, dass die Stützkonstruktion 7 für die Auskopplung nur eine relativ kurze, d.h. näherungsweise radial verlaufende Bohrung aufweisen muss und somit nicht stärker als unbedingt nötig geschwächt wird.
  • Fig. 3 zeigt andeutungsweise einen Ausschnitt aus einer mit einem Hologramm 12 versehene Spiegelfläche 8b. Die Spiegelfläche 8b steht im wesentlichen senkrecht zur Resonatorachse 5. Das Hologramm 12 wird durch eine Struktur der Spiegelfläche 8b verkörpert. Die Beschaffenheit der Struktur hängt im konkreten Fall von der eintreffenden und den reflektierten Wellen ab, insbesondere von deren Wellenlänge, von der Form deren Wellenfronten, von er Intensitätsverteilung (Verhältnis von der aus dem Resonator ausgekoppelten zu der darin gespeicherten Energie) sowie deren Ausbreitungsrichtungen (z.B. Winkel Á). Die Struktur lässt sich im allgemeinen nicht durch einfache, geometrische Parameter wie z.B. Dicke d oder Periode L beschreiben.
  • Umfassend kann das Hologramm 12 z.B. wie folgt beschrieben werden:
    • 1. Die eintreffende Welle ist ein Gauss'scher Mode des Resonators und trifft im wesentlichen senkrecht zur Spiegelfläche (Hologrammebene) auf.
    • 2. Der Hauptteil (z.B. 99%) der eintreffenden Welle wird als Gauss'scher Mode in entgegengesetzter Richtung reflektiert (d.h. in Richtung der Resonatorachse 5).
    • 3. Ein kleiner Teil (z.B. 1%) der eintreffenden Welle wird als Gauss Welle unter einem Winkel Á (d.h. in Richtung der Auskopplungsachse 10) gestreut.
    Wenn die Gauss'schen Wellen eindeutig bestimmt sind, dann ist damit auch das Hologramm 12 eindeutig bestimmt.
  • Die Parameter des Hologramms haben zudem einen Einfluss auf die Eigenschaften des Resonators. Ueber den Anteil der ausgekoppelten Leistung kann nämlich die Güte des Resonators eingestellt werden. Auf diese Weise wird das Gyrotron für den vorgesehenen Leistungsbereich optimiert.
  • Für den Fall Gauss'scher Wellen lässt sich in bezug auf die geometrischen Dimensionen der Struktur sagen, dass die Dicke d (Tiefe der Struktur) und die Periode L typischerweise in der Grössenordnung einer Wellenlänge der gewünschten Strahlung liegt und dass keine scharfen Kanten auftreten. Bei Wellenlängen im mm-Bereich können somit geometrische Dimensionen in der Grössenordnung von einigen zehntel bis zu wenigen Millimetern vorkommen.
  • Fig. 4 schliesslich zeigt eine schematische Frontansicht eines runden Spiegels. Das Hologramm zum Auskoppeln der gewünschten Gauss'schen Wellen ist angedeutet durch mehrere, nebeneinander verlaufende, gleichartige, gekrümmte Linien, welche strukturelle Erhebungen veranschaulichen. Die Erhebungen sind typischerweise in kleinen Bezirken, nicht aber über das ganze Hologramm hinweg periodisch.
  • Zum Herstellen eines erfindungsgemässe Hologramms wird mit Vorteil ein Computer eingesetzt. Mit diesem wird die konkrete Struktur der Spiegelfläche bei Vorgabe der oben erläuterten Parameter des Hologramms berechnet. Mit Hilfe von Werkzeug­maschinen wird sodann die berechnete Struktur auf die Spie­gelfläche übertragen. Dieses Herstellungsverfahren macht von der Tatsache Gebrauch, dass die Dimension der holografischen Struktur in der Grössenordnung von etwa 1/10 mm liegt.
  • Es ist jedoch auch möglich mittels mm-Wellen-Fotografie das Hologramm aufzunehmen. Dabei wird analog zur optischen Holografie der Gauss'sche Mode des Resonators mit der auszukoppelnden Gauss Welle zur Interferenz gebracht und das resultierende Interferenzmuster fotografisch festgehalten.
  • Im folgenden sollen noch kurz einige weitere Aufführungsformen der Erfindung angesprochen werden.
  • Bisher wurde stets von einem Hologramm auf einem sphärisch gekrümmten Spiegel gesprochen. Die Erfindung beschränkt sich aber nicht auf solche Spiegel. Es ist durchaus auch möglich einen planen Spiegel zu verwenden und die Wirkung einer sphärischen Krümmung im Hologramm zu integrieren.
  • Ein anderer wichtiger Punkt ist die Anzahl der Streurichtungen. Bis anhin wurde zwar immer betont, dass die Auskopplung nur in genau einer Richtung erfolgt. Dies entspricht aber nur einer bevorzugten Ausführungsform. Es liegt nämlich durchaus auch im Rahmen der Erfindung, wenn das Hologramm in genau zwei, oder allgemein in genau n vorgegebene Auskopplungsrichtungen Gauss Wellen streut. Eine mehrfache Auskopplung kann z.B. dann von Vorteil sein, wenn es darum geht, die durch die zulässige Belastbarkeit der HF-Fenster beschränkte Ausgangsleistung zu einer hohen Gesamtleistung des Gyrotrons zu vervielfachen. Nach wie vor ist es dabei wichtig für einen hohen Wirkungsgrad, dass nur Strahlung in Richtung der z.B. zwei vorgegebenen Auskopplungsachsen gestreut wird.
  • Bei einem Hologramm mit zwei Auskopplungsrichtungen werden die beiden Auskopplungsachsen vorzugsweise symmetrisch zur Resonatorachse gelegt.
  • Die Gesamtleistung kann auch noch auf andere Weise vervielfacht werden, nämlich indem beide Spiegel 4a, 4b des Resonators mit je einem geeigneten Hologramm versehen werden. So können beispielsweise mit zwei Hologrammen mit je genau einer Auskopplungsrichtung zwei Gauss Wellen extrahiert werden.
  • Grundsätzlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf Gauss'sche Wellenformen. In völlig analoger Weise können für andere Anwendungszwecke auch andere, ja sogar beliebige, Wellenformen ausgekoppelt werden.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch die erfindungsgemässe Art der Auskopplung Millimeter- und Submillimeterwellen von hoher Dauerstrichleistung erzeugt werden können. Die so erzeugten Wellen lassen sich ohne nennenswerte Verluste mit herkömmlichen Wellenleitern zu entfernten Verbrauchern befördern.
    • BEZEICHNUNGSLISTE
    • 1 - Elektronenstrahl;
    • 2 - Elektronenstrahlachse;
    • 3a, 3b = Spule;
    • 4a, 4b = Spiegel;
    • 5 - Resonatorachse;
    • 6 - Mittel zum Erzeugen eines Elektronenstrahls;
    • 7 - Stützkonstruktion;
    • 8a, 8b = Spiegelfläche;
    • 9 - Gefäss;
    • 10 - Auskopplungsachse;
    • 11 - HF-Fenster;
    • 12 - Hologramm;

Claims (10)

1. Quasi-optisches Gyrotron umfassend
a) erste Mittel zum Erzeugen eines in Richtung einer Elektronenstrahlachse laufenden Elektronenstrahls,
b) zweite Mittel zum Erzeugen eines parallel zur Elektronenstrahlachse ausgerichteten statischen Magnetfeldes, durch welches die Elektronen des Elektronenstrahls zur Gyration gezwungen werden,
c) einen quasi-optischen Resonator, welcher zwei auf einer senkrecht zur Elektronenstrahlachse ausgerichteten Resonatorachse einander gegenüberliegend angeordnete Spiegel aufweist, in welchem Resonator durch die Gyration der Elektronen ein elektromagnetisches Wechselfeld angeregt wird,
d) dritte Mittel zum Auskoppeln elektromagnetischer Strahlung aus dem Resonator,
dadurch gekennzeichnet, dass
e) die dritten Mittel mindestens ein Hologramm umfassen, welches mindestens eine Hologramm auf einer Spiegelfläche eines der beiden Spiegel des Resonators ist und so beschaffen ist, dass die auszukoppelnde Strahlung in Richtung mindestens genau einer Auskopplungsachse gestreut wird, wobei die mindestens genau eine Auskopplungsachse mit der Resonatorachse einen vorgegebenen Winkel Á verschieden von null einschliesst.
2. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplungsachse und die Resonatorachse in einer gemeinsamen Ebene liegen, welche im wesentlichen senkrecht steht zur Elektronenstrahlachse.
3. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm einer Ueberlagerung zweier Gauss Wellen unter dem vorgegebenen Winkel Á in einer Hologrammebene entspricht, wobei eine der beiden Gauss Wellen im wesentlichen senkrecht zur Hologrammebene auftrifft.
4. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm so ausgebildet ist, dass es nur in Richtung genau einer Auskopplungsachse elektromagnetische Strahlung streut.
5. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm so ausgebildet ist, dass es nur in Richtung genau zweier Auskopplungsachsen elektromagnetische Strahlung streut.
6. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel Á zwischen Auskopplungsachse und Resonatorachse so klein wie möglich ist, sodass die ausgekoppelte Strahlung neben dem gegenüberliegenden zweiten Spiegel des Resonators gerade noch im wesentlichen ungestört passieren kann.
7. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm so ausgebildet ist, dass einige wenige Prozente des im Resonator schwingenden Wechselfeldes ausgekoppelt werden.
8. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm eine lateral und tiefenmodulierte elektrisch leitende Spiegelfläche mit einer Strukturgrösse in der Grössenordnung einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist.
9. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
a) die zweiten Mittel zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes zwei auf der Elektronenstrahlachse angeordnete Spulen in Helmholtz-Anordnung umfassen,
b) der quasi-optische Resonator zwischen den beiden Spulen untergebracht ist und
c) Resonator und Auskopplungsachse in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Elektronenstrahlachse liegen.
10 Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelfläche im wesentlichen senkrecht zur Resonatorachse steht und sphärisch gekrümmt ist, und dass die Spiegel im wesentlichen kreisförmig sind.
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